2.7 Fémek, elektrokémiai összefüggések és korrózió

A fémektől a helyi galvánelemig

A fémek közös fizikai sajátságait a fémes kötés és a mozgékony elektronok magyarázzák. A kémiai reakciókban sok fém elektront ad le, vagyis redukálószerként viselkedik. Ugyanez az elektronátadás egy galvánelemben hasznos áramtermelés, nedves fémfelületen viszont káros korrózió lehet. A témát szerkezet → reakció → előállítás → elektrokémia → védelem sorrendben tanuld.

Fémes kötés és fizikai tulajdonságok

A fémkristályban pozitív töltésű atomtörzsek között delokalizált elektronok mozognak. Ez magyarázza a jó elektromos és hővezetést, a fémes fényt és sok fém alakíthatóságát. Az olvadáspont és sűrűség nem minden fémnél azonos: a nátrium puha és kis sűrűségű, a réz sokkal sűrűbb és erősebb. A könnyű- és nehézfém elnevezés sűrűség szerinti csoportosítás; nem a reakciókészséget jelenti.

Mit magyaráz a fémes kötés?

Ötvözet: tulajdonságot tervezünk

Az ötvözet több elemből álló, legalább egy fémet tartalmazó anyag, amelyben a komponensek fémes jellegű halmazt alkotnak. Az acél vas és kis mennyiségű szén, a sárgaréz réz és cink, a bronz réz és ón alapú ötvözet. Az ötvözés megváltoztathatja a keménységet, szilárdságot és korrózióállóságot. A szén az acélban nem úgy van jelen, mint egy különálló széngolyó a vas mellett: a szerkezet és összetétel együtt számít.

Fémek reakciókészsége és a redoxisor

Az aktívabb fémek könnyebben adnak le elektront. Híg, nem oxidáló savból például a cink hidrogént fejleszt: Zn + 2 HCl → ZnCl₂ + H₂; a réz ugyanezzel a sósavval nem ad hidrogént. A standardpotenciálból azonos standardfeltételek mellett reakcióirány becsülhető, de a felület passziválódása és a reakció sebessége is számít. A réz oxidáló savakkal viszont reagálhat, például tömény salétromsavval NO₂-t adhat.

Először a reagenst és körülményeket nevezd meg

Alkáli- és alkáliföldfémek

Az I.A főcsoport (például Li, Na, K) atomjai egy, a II.A főcsoport (például Mg, Ca) atomjai két vegyértékelektront adnak le jellemzően. Az alkálifémek lágyak, kis olvadáspontúak és igen reakcióképesek; oxigéntől és nedvességtől elzárva tárolják őket. A magnézium és kalcium tömörebb, kevésbé lágy fém. Na⁺, K⁺, Mg²⁺ és Ca²⁺ ionoknak fontos élettani szerepük van, de a fémek elemi állapotú reaktivitása nem azonos ionjaik élettani viselkedésével.

Előfordulás, előállítás és ionok

A Na és K főként sókban, a Ca mészkőben és gipszben, a Mg többek közt dolomitban található. Nagy reakciókészségük miatt elemi állapotban nem gyakoriak; nátriumot olvadt NaCl elektrolízisével lehet előállítani. Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺ vizes oldatai önmagukban színtelenek. A Na⁺ és K⁺ ideg- és izomműködéshez, a Ca²⁺ csontokhoz és izomműködéshez, a Mg²⁺ számos enzimhez kapcsolódik.

Lángfestés: fénykibocsátás gerjesztés után

Nátriumvegyület erős sárga, kálium ibolyás/lila, kalcium téglavörös lángfestést adhat. A melegítés gerjeszti az atomok elektronjait, visszatéréskor jellegzetes fényt bocsátanak ki. A megfigyelés minőségi támpont, de a nátrium intenzív sárga színe más színt elfedhet. A színek nem az ionok oldatbeli színei: a Na⁺ és K⁺ vizes oldata önmagában színtelen.

Nátrium és kálium vízzel

2 Na + 2 H₂O → 2 NaOH + H₂. A reakció erősen hőfejlődő, a hidrogén meggyulladhat; a kálium rendszerint még hevesebben reagál. Kalcium vízzel: Ca + 2 H₂O → Ca(OH)₂ + H₂. A magnézium hideg vízzel lassan, vízgőzzel jóval erősebben reagálhat: Mg + H₂O(g) → MgO + H₂. Fém és víz reakciójánál nevezd meg a feltételeket, ne általánosíts minden fémre.

Reakció nemfémekkel

2 Na + Cl₂ → 2 NaCl; Mg + Cl₂ → MgCl₂; 2 Mg + O₂ → 2 MgO. Az egyenletekben a fémek oxidációs száma 0-ról pozitívra nő. A fém-oxid lehet védőréteg (alumíniumon), de lehet porózus korróziós termék (vason). Az, hogy egy fém oxigénnel reagál, még nem mondja meg önmagában a keletkező réteg védő hatását.

Fémek előállítása: módszert a reakciókészséghez választunk

A nagyon aktív fémeket, például a nátriumot és az alumíniumot olvadékelektrolízissel állítják elő, mert vizes oldatból a víz redukciója vagy a fém további reakciója akadályozhatja a leválasztást. Kevésbé aktív fémek oxidjai szénnel, CO-val, hidrogénnel vagy alumíniummal redukálhatók. A választásnál az érc, az energiaigény, a tisztaság és a környezetterhelés is számít.

Alumínium: aktív fém, védő oxidréteg

Az alumínium ezüstszürke, kis sűrűségű, jól alakítható és jó vezető. Szabad levegőn gyorsan vékony, tömör Al₂O₃-réteg alakul ki rajta, amely lassítja a további korróziót: ezt passziválódásnak nevezzük. Ha az oxidréteg nem védi, savval hidrogént fejleszthet: 2 Al + 6 HCl → 2 AlCl₃ + 3 H₂. Vas(III)-oxidot hevesen redukál: 2 Al + Fe₂O₃ → Al₂O₃ + 2 Fe; ez a termitreakció.

Alumínium: aktív belső anyag, védő felület

Az Al atom rendszáma 13, külső elektronszerkezete 3s²3p¹; Al³⁺ képződésekor három elektront ad le. Az Al³⁺ vizes oldata önmagában színtelen, nem azonos az ezüstös fémmel. Az alumínium a földkéreg gyakori féme, főként vegyületekben: bauxitban és alumíniumtartalmú szilikátokban, agyagásványokban található.

A tömör, tapadó oxidréteg a további átalakulást lassítja. Ez a felület tulajdonsága, nem az alumínium reakciókészségének megszűnése. Ha a réteg nem véd, 2 Al + 6 H₂O → 2 Al(OH)₃ + 3 H₂ is lehetséges. Az oxidréteg eltávolítása és a reakció feltételei döntőek; hétköznapi Al-tárgy hideg vízben nem ettől kezd hevesen hidrogént fejleszteni.

Jó vezetőképessége, kis sűrűsége és alakíthatósága miatt vezetékekhez, fóliákhoz, dobozokhoz és szerkezeti elemekhez használják. A szerkezeti ötvözetek tulajdonságait az ötvözők és hőkezelés is módosítja. A termitben az Al oxigéntartalmú vegyületből redukálja a másik fémet: Fe₂O₃ + 2 Al → Al₂O₃ + 2 Fe; Fe: +3→0, Al: 0→+3. Nem savból történő hidrogénfejlesztés.

Bauxittól az alumíniumig

A bauxit alumíniumtartalmú érc, amelyből tisztítás után timföldet (Al₂O₃) nyernek. Az alumíniumot a timföldből olvadékelektrolízissel állítják elő; a timföldet kriolit tartalmú olvadékban oldják, ami lehetővé teszi a kedvezőbb hőmérsékletű működést. Katódon Al³⁺ + 3 e⁻ → Al; a szénanód fogyhat, CO₂ képződik. Az alumínium nagy energiaigényű elsődleges gyártása miatt az újrahasznosítás jelentős.

A kriolit oldószerként szerepel az olvadékban

A nagy olvadáspontú timföldet kriolitot és más adalékokat tartalmazó elektrolitban oldják; így körülbelül 950–960 °C-on működhet a kád. A kriolit képlete Na₃AlF₆. A felhasznált timföld és a kád elektrolitja külön anyag: a timföldet folyamatosan pótolják. Nem az a cél, hogy tiszta Al₂O₃-ot teljesen megolvasszanak.

A grafitos bélés a katód, a szénanód fogyhat: az oxigéntartalmú részecskék oxidációja és a szén reakciója CO₂-képződéssel jár. A fém előállításának anyagigénye mellett a villamos energia és az anód fogyása is fontos. Az újrahasznosításnál az Al már elemi állapotban van, ezért nem ismétlődik meg ugyanaz az oxidredukciós energiaigény. A hulladék válogatása és kívánt ötvözetösszetétel ettől még számít. Ausztrál Alumíniumtanács: az elektrolizálókád.

A Daniell-elem és a standardpotenciál

A Zn|Zn²⁺ és Cu²⁺|Cu félcellák sóhíddal kapcsolódhatnak. A cinkelektródon oxidáció történik: Zn → Zn²⁺ + 2 e⁻; ez az anód, a galvánelemben negatív pólus. A rézelektródon redukció: Cu²⁺ + 2 e⁻ → Cu; ez a katód, pozitív pólus. A külső áramkör elektronjai a cinktől a réz felé mozognak. A sóhíd ionvándorlással zárja az áramkört és mérsékli a töltésfelhalmozódást.

Számítás: Daniell-elem

Ha ε°(Cu²⁺/Cu)=+0,34 V és ε°(Zn²⁺/Zn)=−0,76 V, akkor E°_MF=0,34−(−0,76)=1,10 V. A pozitív érték a felírt galvánreakció várható irányát jelzi: Zn + Cu²⁺ → Zn²⁺ + Cu. Valós cellában a koncentráció, hőmérséklet és belső ellenállás befolyásolja a mért feszültséget; az itt kapott érték standard számítás.

Elektrolízis: árammal hajtott reakció

Elektrolizáló cellában külső áramforrás kényszeríti ki a reakciót. Az anódon továbbra is oxidáció, a katódon továbbra is redukció zajlik, de a pólusjel fordított a galvánelemhez képest: anód pozitív, katód negatív. Olvadt NaCl esetén katódon Na⁺ + e⁻ → Na, anódon 2 Cl⁻ → Cl₂ + 2 e⁻. Vizes sósav indifferens elektródok közötti elektrolízisében katódon H₂, anódon Cl₂ képződhet.

Rozsdásodás mint elektrokémiai korrózió

Nedves vasfelületen eltérő oxigénellátású és összetételű területek helyi elemeket hozhatnak létre. Anódos helyen Fe → Fe²⁺ + 2 e⁻; katódos helyen semleges, levegős vízben O₂ + 2 H₂O + 4 e⁻ → 4 OH⁻. További reakciók után hidratált vas(III)-oxidok és -hidroxidok, vagyis rozsda keletkeznek. A rozsda porózus, ezért nem zárja el jól a vasat a víztől és oxigéntől. A gyorsulást sóoldat és savas közeg is okozhatja.

Védekezés: bevonat, eloxálás, horganyzás

Festék vagy ép zománc elszigetelheti a fémet a nedvességtől. A vas cinkbevonata (horganyzás) sérüléskor is segíthet: a cink aktívabb, ezért előbb oxidálódik. Az ónbevonat sértetlenül elzárja a felületet, de sérüléskor a vas az ón mellett fokozottan korrodálhat. Az alumínium eloxálása mesterségesen vastagított, védő oxidréteget hoz létre. A korrózióvédelemhez mindig nevezd meg, hogy a védőréteg ép akadály vagy áldozati fém.

Mitől véd a módszer?

Savas ólomakkumulátor

Ólom és ólom-dioxid elektródot, kénsavas elektrolitot használó újratölthető cella. Kisüléskor a két elektródon ólom(II)-szulfát képződik; összegzés: Pb + PbO₂ + 2 H₂SO₄ → 2 PbSO₄ + 2 H₂O. Az ólom és vegyületei mérgezők, ezért az elhasznált akkumulátort külön gyűjtik és újrahasznosítják. A „visszatölthető” nem jelenti azt, hogy veszélytelen.

A fém előállítása nem mindig szenes redukció

A nátrium és az alumínium nagy redukálóképessége miatt olvadékelektrolízist igényel; a vasérc CO-val redukálható. Az energiaigény mellett számít a szennyezők eltávolítása is: a nyers termék további tisztítást vagy ötvözést igényelhet.

Megfigyelés → részecske → magyarázat

Írd le először a látott színt, majd a lehetséges részecskét és a magyarázatot. A Na⁺ vizes oldata színtelen lehet, miközben a nátriumvegyület erős sárga lángfestést ad. Az intenzív sárga fény elfedhet más jelet, ezért a próba tisztasága és a kontroll lényeges.

Tankönyvi kapcsolódás

Oktatási Hivatal: Kémia 9–10., II. kötet, 142–145, 154–157. nyomtatott oldal; 79, 82. lecke. A PDF-ben a nyomtatott oldalszámhoz 1-et adj hozzá.

A magyarázatok, hasonlatok és feladatok önálló feldolgozások. A közép- és emelt szintű követelmények ellenőrzésének alapja az Oktatási Hivatal részletes követelményrendszere.